21159

Транзисторы сегодня и завтра

Доклад

Информатика, кибернетика и программирование

Принцип работы транзистора Традиционной планарный транзистор представляет собой крохотную кремневую пластинку обогащенную примесью ртипа и называемую подложкой. Такое состояние транзистора условно называют открытым. Однако прогресс стремителен и современные транзисторы вполне уверенно выдерживают частоты в 263 ТГц За счет чего были достигнуты столь впечатляющие улучшения Чтобы ответить на этот вопрос давайте сначала рассмотрим основные недостатки обычного планарного транзистора. 1 Фотография транзистора предназначенного для...

Русский

2013-08-02

519.5 KB

0 чел.

Транзисторы сегодня и завтра

  Микропроцессоры стали настолько привычными, что мы совершенно уже не интересуемся их устройством и работой. Между тем процессы, происходящие в микромире, чрезвычайно занимательны и интересны.

  Путешествие в мир полупроводников обещает быть захватывающим и познавательным, и начнем мы его с транзисторов (и принципов их работы), которые являются основой любого современного микропроцессора.

Принцип работы транзистора

  Традиционной планарный транзистор представляет собой крохотную кремневую пластинку, обогащенную примесью р-типа и называемую подложкой. В подложке формируются две легированные области, обогащенные примесью n-типа. Одна такая область называется стоком, а другая — истоком. На границе областей n-р происходят весьма любопытные физические процессы: за счет вездесущей диффузии пограничные электроны из n-областей перескакивают в р-область, богатую свободными дырками. Не сделав и пары шагов, электрон «проваливается» в первую же встретившуюся на его пути дырку. Если же ему удастся выскочить оттуда, он тут же захватывается другой свободной дыркой (а свободных дыр В р-об-ласти очень много). Часть этих дырок под давлением диффузных обстоятельств срывается с насиженного места и эмигрирует в n-обдасть, где их уже ждет толпа «голодных» электронов, и после непродолжительной рекомбинации здесь не остается ни дырок, ни электронов (разумеется, электроны никуда не исчезают, но, попав в дырки, теряют подвижность и перестают быть свободными).

  Таким образом, на границах областей n-р образуется обедненная зона, в которой отсутствуют носители заряда, и потому течение тока между истоком и стоком оказывается невозможным. Для того чтобы транзистор мог переносить заряд, конструкторам пришлось добавить третий электрод — затвор. В отличие от устройства биполярных транзисторов, верой и правдой служивших в отечественной бытовой аппаратуре с восьмидесятых годов, затвор электрически не связан с р-областью и отделен от нее тонким слоем изолятора (в роли которого обычно выступает оксид кремния). Управление переносом заряда осуществляется не электрическим током, а электромагнитным полем. При подаче положительного потенциала на затвор создаваемое им электромагнитное поле вытесняет дырки вглубь подложки и затягивает в обедненный слой электроны из окружающих n-областей. Через короткое время пространство между n-областями насыщается свободными носителями заряда, в результате чего в подзатворной области образуется насыщенный канал, способный беспрепятственно проводить электрический ток. Такое состояние транзистора условно называют открытым. При исчезновении потенциала на затворе канал быстро забивается дырками, набежавшими из р-слоя. Электроны проваливаются в дырки, и проводимость канала начинает катастрофически падать. В конце концов канал разрушается, и транзистор переходит в закрытое (запертое) состояние.

Перспективы использования транзисторов

  Быстродействие планарных транзисторов очень велико, но все-таки не безгранично. Лучшие экземпляры образца 2000 года работали на частотах вплоть до 1,2 ТГц (напомним, что один тера-герц равен 1012 Гц). Однако прогресс стремителен, и современные транзисторы вполне уверенно выдерживают частоты в 2,63 ТГц! За счет чего были достигнуты столь впечатляющие улучшения? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте сначала рассмотрим основные недостатки обычного планарного транзистора.

Рис. 1

Фотография транзистора, предназначенного для использования в 90 нм техпроцессе. Как видите в этом случае ширина затвора составит всего 50 нм

  Если понаблюдать за транзистором с помощью осциллографа, то мы можем заметить, что его закрытие происходит не сразу после исчезновения потенциала на затворе, а спустя некоторое время. Это объясняется тем, что насыщенный электронами канал не может мгновенно «рассосаться», и вплоть до полного завершения процесса рекомбинации между электродами транзистора будет продолжать течь паразитный ток. называемый током утечки (Off-state Leakage).

  Для достижения большей скорости переключения транзистора мы можем либо увеличить рабочее напряжение, либо уменьшить толщину подложки. Действительно, как известно из школьного курса физики, ток прямо пропорционален приложенному напряжению, а потому, чем большее напряжение мы подаем, тем больше свободных носителей требуется для его перемещения и, соответственно, быстрее «рассасывается» паразитный канал. Разумеется, увеличение питающего напряжения приводит к неизбежному росту рассеиваемой транзистором мощности и вызывает еще целый ряд неприятных физических эффектов.

  Взвесив все за и против, инженеры из Intel решили пойти другим путем. Оставив величину рабочего напряжения в покое (точнее, даже снизив его с 0,85 до 0,8—0,75 В), они направленным интеллектуальным штурмом сократили тол-щину р-канала до разумного физического минимума. Если раньше легированные области стока и истока наносились непосредственно на саму подложку, обо-гашенную акцепторной примесью, то транзисторы нового поколения оказались отделены от подложки слоем оксида кремния, играющего роль изолятора. Паразитный заряд, преимущественно накапливающийся на границе р- и n-об-ластей, теперь вынужден мириться с тем, что площадь его владений значительно сократились, а значит, уменьшился и сам заряд!

Рис. 2

SOI-транзистор (наверху) и DST-транзистор (внизу). У DST оксидная пленка вплотную прижата к подложке

  Как утверждает компания Intel, технология кремния на изоляторе (SOI — Silicon On Insulator) увеличивает быстродействие транзисторов приблизительно на 25% и — самое главное — не требует существенных изменений в производственном процессе. Дальнейшее развитие этой идеи привело к созданию транзистора DST (Depleted Substrate Transistor), вплотную прижатого к подложке и обладающего рекордно узкой шириной канала.

  К сожалению, за сокращение ширины насыщенного канала приходится расплачиваться увеличением его сопротивления, то есть для достижения хороших показателей работы величину рабочего напряжения приходится увеличивать. Воистину тут справедлива пословица «одно лечим, другое калечим». Не желая повышать рабочее напряжение, конструкторы стали изыскивать другие пути для обхода этой проблемы, и, представьте себе, они их нашли! Решение оказалось простым, как и все гениальное: всего лишь увеличением высоты легированных областей истока/стока удалось уменьшить сопротивление насыщенного канала до 30%.

Рис. 3

Обычный SOI-транзистор (наверху) и SOI-транзистор с увеличенной высотой легированных областей (внизу)

  Вы наверняка заметили, что область затвора на приведенном рисунке изображена как бы «утопленной» внутрь транзистора, в то время как раньше затвор располагался на верхней кромке легированных областей. Увеличение высоты легированных областей без корректировки положения затвора приводит к образованию своеобразного «подвала», в который стекаются дыры, выталкиваемые электромагнитным полем затвора из области канала. Образно говоря, на дне канала оседает ил, и при определенных обстоятельствах он взлетает вверх, в результате чего транзистор ведет себя совсем не так, как задумывалось. Поскольку состояние «придонного слоя» сильно зависит от рода и вида предыдущих операций с каналом, поведение транзистора становится практически неуправляемым. Опустив затвор вниз, конструкторы добились того, что придонная область канала стала полностью «промываться» электромагнитным полем затвора, поэтому заряженные частицы дочиста рассасывались в процессе открытия/закрытия транзистора.

  Кстати, если уж мы заговорили о процессах открытия/закрытия транзистора, нелишне будет вспомнить о пагубном воздействии жесткого излучения. Космические лучи высоких энергий (равно как и пресловутая радиация) проникают вглубь подложки и сталкиваются с атомами кристаллической решетки. Если удар оказывается достаточно силен для того, чтобы выбить валентные электроны из их законных ор-биталей, в транзисторе образуется некоторое количество свободных носителей зарядов, которые на короткое время создадут насыщенный канал, и вне зависимости от состояния затвора транзистор откроется. Ложные открытия транзисторов крайне негативно сказываются на стабильности и надежности работы компьютерной системы.

  Тонкий слой изолятора, отделяющий легированные области SOI-транзистора от подложки, оказывается непреодолимым барьером для всех ионизированных частиц, порожденных радиацией или космическими лучами, а потому такой транзистор оказывается более устойчивым к жесткому излучению, нежели его предки. Конечно, если гамма-квант попадет в область между стоком и истоком, то транзистор все-таки откроется. Однако вероятность такого события крайне невелика.

  Другое кардинальное улучшение транзисторов нового поколения касается многократного уменьшения тока утечки в области затвора (не стоит путать его с уже рассмотренным током утечки между истоком и стоком). В качестве изолятора, отделяющего о затвор от насыщенного канала, вплоть до настоящего момента использовалась тончайшая пленка оксида кремния толщиной всего в 0,8 нм (для сравнения: размер самих транзисторов прошлого поколения составлял 30 нм). Такая тонкая пленка была выбрана неспроста, и путеводной целью разработчиков были даже не габариты транзистора, а уменьшение величины рабочего напряжения.

  Чем тоньше слой диэлектрика между затвором и каналом, тем меньшее напряжение требуется для его (канала) обогащения. Не углубляясь в дебри физических законов, управляющих всеми аспектами этого сложного процесса, скажем лишь, что затвор и обогащенный канал являются обкладками плоского конденсатора, емкость которого напрямую зависит от диэлектрической проницательности и геометрии изолятора. Чем больше емкость, тем больший заряд накапливается в обогащенном канале, следовательно, при том же самом приложенном напряжении создается больший ток. При уменьшении толщины изолятора емкость конденсатора увеличивается, но вместе с ней растет и ток утечки. В результате сопротивление между легированными областями и затвором резко уменьшается, а это категорически недопустимо (полевые транзисторы как раз и отличаются от биполярных тем, что имеют большое сопротивление между стоком/истоком и затвором, благодаря чему их выгодно использовать в ключевом режиме). По честному признанию ведущих специалистов Intel, в мире микронных размеров оксид кремния — не самый походящий изолятор, и свои возможности он уже исчерпал.

  Конечно, существуют и более качественные изоляторы, но нанести субмикронную пленку изолятора на кремниевую пластину с соблюдением всех требований технологического процессора гораздо труднее, чем просунуть канат в игольное ушко, и разработка такой методики требует огромных умственных, физических и финансовых затрат. Неудивительно, что создатели транзистора оттягивали проводы оксида кремния на пенсию как только могли. Но вот переломный момент настал: Intel заявила о создании транзисторов на основе оксида стронция, диэлектрическая проницаемость которого в 6,4 раза превосходит оксид кремния. В готовом виде решение компании выглядит до смешного просто: первоначально на поверхность кремния осаждают хлорид стронция (ZrCl4), а затем направляют на него струю обычного водного пара. Под воздействием высокой температуры молекулы обоих веществ дислоцируют, и образовавшиеся ионы водорода захватываются ионами хлора. Ионы стронция, в свою очередь, соединяются с кислородом, образуя столь необходимый нам оксид. Однако если не предпринять никаких мер по немедленному удалению хлороводорода из зоны реакции, с оксидом произойдет обратный процесс — под воздействием соляной кислоты он снова перейдет в хлорид!

Рис. 4

Накопление ила в природной области канала (наверху) можно избежать, если опустить затвор вниз (внизу)

  Переход на оксид стронция позволяет значительно увеличить толщину диэлектрика, одновременно с этим уменьшая величину рабочего напряжения. В частности, при увеличении толщины диэлектрика в шесть с половиной раз мы получаем точно такую же емкость, какую дает оксид кремния 0,8 нм, но ток утечки сокращается приблизительно в десять тысяч раз!

  Наконец, в процессе своей эволюции транзисторы неуклонно сокращались в размерах, что, с одной стороны, уменьшало потребляемый ими ток, а с другой — увеличивало их быстродействие. Что ж, все логично: чем меньше объем легированных областей, тем выше их реакционная способность, а чем ближе эти области расположены друг к другу, тем меньше времени требуется току для пересечения насыщенного канала.

Рис. 5

Формирование хлорида стронция на поверхности кремниевой пластины

  Еще в декабре 2000 года компания Intel объявила о создании транзистора с длиной канала в 30 нм, в июне 2001 года был создан транзистор с длиной канала в 20 нм, а уже в декабре того же года компании удалось взять барьер 15 нм. К сожалению, промышленное освоение новых технологий идет туго, и вплоть до сегодняшнего для все эти транзисторы существуют лишь в экспериментальных образцах. Давно ожидаемое внедрение 90 нм технологического процесса окончательно должно завершиться уже в этом году. В нем будут использованы транзисторы, имеющие затворы всего 50 нм. Их серийное использование компания планирует начать где-то в 2005 году.

Транзисторы будущего

  Исследования, проведенные компанией Intel, показали, что при преодолении рубежа в 30 нм ток затворной утечки резко возрастает, и дальнейшее уменьшение габаритов планарных транзисторов наталкивается на непреодолимые физические ограничения. Похоже, что планарная технология достигла своего предела, и транзисторам будущего придется расти не только вглубь, но и вширь!

  И первый шаг к созданию трехмерных транзисторов уже сделан. В сентябре 2002 года компания Intel объявила о создании транзисторов с тройным затвором, похожим по своему внешнему виду на приподнятую горизонтальную плоскость с вертикальными стенками. Поскольку площадь поверхности затвора теперь многократно возросла (а при высоких частотах ток всегда вытесняется из глубины проводника и распространяется преимущественно по его поверхности), то величина удельной плотности тока значительно сократилась, значит, уменьшились и паразитные утечки.

  Изменения затронули и геометрию двух других электродов транзистора. Для облегчения продвижения тока по поверхностям истока и стока их высота была значительно увеличена. Теперь электричество получило возможность распространяться не только по «крыше», но и боковым стенкам этого импровизированного «небоскреба». Следует отметить, что такая мера не только снижает рассеиваемую транзистором тепловую мощность, но и уменьшает минимально необходимый для работы транзистора ток.

Рис. 6

Двухканальный трехмерный транзистор с тройным затвором

  Другое немаловажное обстоятельство: транзисторы нового поколения возводятся не на изоляторе (как это было с транзисторами S0I), а на сверхтонком слое полностью обедненного кремния, что ооеспечивает еще большее снижение тока утечки и позволяет транзистору быстрее переключаться даже при значительно пониженном питающем напряжении.

  Таким образом, технология тройного затвора позволяет создавать сверхмалые транзисторы, обеспечивающие еще большую производительность и обладающие пониженным энергопотреблением. Причем производство трехмерных транзисторов вполне по зубам существующим ныне литографическим процессам, то есть строить новую фабрику, изначально ориентированную на их производство, не нужно.

  Еще один плюс трехмерной архитектуры заключается в возможности создания многоканальных транзисторов, один затвор которых обслуживает множество электродов одновременно. Управляя прохождением тока между несколькими парами истоков/стоков, такой транзистор позволяет одним махом создавать множество насыщенных каналов, равномерно распределяющих между собой проходящий через них ток. Многоканальная архитектура упрощает задачу более плотной компоновки транзисторов на кристалле и увеличивает пропускную способность каждого из них.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

63443. Вопросы категорирования объектов, оборудуемых техническими средствами охраны и классификация нарушителей 158.5 KB
  Технические средства охраны. В узком смысле задача системы охраны заключается в обнаружении и пресечении действий людей пытающихся тайно или открыто но несанкционированно проникнуть на охраняемую территорию объекта или в его зоны безопасности.
63445. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ОХРАНЫ, ИХ ОСНОВНЫЕ ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ 3.55 MB
  В состав ТСОС второй группы входят многообразные по типам и классам средства обеспечивающие передачу тревожной информации или на локальные звуковые и световые сигнализаторы или на удаленные стационарные или носимые пульты по телефонным линиям специальным радиоканалам посредством систем сотовой связи...
63447. Системы сбора, обработки, отображения и документирования информации 3.49 MB
  Вопросы классификации ССОИ. Эта система должна обеспечивать передачу сигналов от средств обнаружения до караульного помещения оператору ССОИ распознавание сигналов тревоги и вывод тревожной информации в форме доступной для восприятия человеком.
63448. Функции ССОИ в составе комплексов ТСОС 1.1 MB
  Из изложенного выше с очевидностью просматривается эволюция развития функций ССОИ. На предыдущих этапах развития ТСОС функции ССОИ заключались лишь в сборе и индикации на станционном аппарате информации о состоянии выходных цепей подключаемых СО.
63449. Объектовые средства обнаружения 172.5 KB
  Для обеспечения охраны и безопасности помещений необходимо выбрать соответствующие технические средства средства обнаружения которые в состоянии обеспечить высокую надежность выполнения возложенных на них задач. Средства обнаружения представляют собой системы и устройства устанавливаемые...
63451. Применение технических средств наблюдения для контроля территории 165 KB
  Телевизионные камеры и устройства для их оснащения Телевизионные камеры. Более простые и соответственно более дешевые камеры оснащаются как правило простейшими встроенными объективами более дорогие сменными объективами с улучшенными характеристиками и широкими функциональными возможностями.